Теоретические основы процесса фильтрования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий при помощи пористой перегородки, пропускающей жидкость (фильтрат) и задерживающей взвешенные в ней твердые частицы.

Различаются следующие виды фильтрования:

1) Фильтрование с образованием слоя осадка на фильтровальной перегородке

2) Сгущение - отделение твердой фазы от жидкой не в виде осадка, а в виде высококонцентрированной (сгущенной) суспензии

3) Осветление - фильтрование жидкостей с незначительным содержанием твердой фазы

Можно условно считать, что фильтрование с образованием осадка характеризуется содержанием в фильтруемой суспензии более 0,1 % объемн. твердой фазы, осветление - менее 0,1 %. Суспензии, содержащие 0,1-1% твердой фазы, перед фильтрованием желательно подвергать предварительному сгущению в отстойниках.

Фильтрование с образованием осадка наиболее распространено. В большинстве случаев твердые частицы в первые моменты с начала фильтрования проходят через пары фильтровальной перегородки, но вскоре накапливаются на ней, и через фильтр начинает протекать только осветленная жидкость - фильтрат. Таким образом, в этом процессе образующийся слой осадка играет роль основной фильтрующей среды.

Фильтрования с образованием осадка наиболее часто проводится при постоянном давлении, так как этот режим процесса прост и удобен в практическом отношении. Однако при проведении процесса под постоянным давлением скорость фильтрования с увеличением слоя осадка будет уменьшаться. Для поддержания постоянной скорости фильтрования приходится увеличивать препад давления на фильтре по мере протекания процесса. В некоторых случаях фильтрования проводят при постоянной скорости, например в фильтрпрессах.



1. Теоретические основы процесса фильтрования

Фильтрованием называется процесс разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, задерживающих на своей поверхсности частицы твердой фазы и пропускающих жидкую фаза.

Процессы фильтрования и фильтры классифицируются по следующим признакам.

1) По движущей силе. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки, создаваемой различными способами. Фильтрование осуществляется под действием гидростатического напора (силы тяжести) при создании повышенного давления над перегородкой или вакуума под перегородкой.

2) По механизму фильтрования:

а) с образованием осадка на поверхности фильтровальной перегородки, при этом твердые частицы почти не проникают внутрь этой перегородки;

б) с закупориванием пор фильтровальной перегородки: на поверхности перегородки осадок почти не образуется и твердые частицы задерживаются внутри пор.



Рисунок 1. - Схема классификации фильров по принципу их действия и конструктивным особенностям

3) По виду процесса:

а) разделение суспензий, т.е. фильтрование с образованием значительного слоя осадка на фильтровальной перегородке;

б) сгущение суспензий, т.е. отделение твердой фазы от жидкой не в виде осадка, а в виде высококонцентрированной суспензии (этот процесс применяется для повышения концентрации твердой фазы перед центрифугированием); в) осветление - фильтрование жидкостей с незначительным содержанием твердой фазы.

4) По целенапрвленности процесса. Целью процесса фильтрования может быть получения:

а) чистого осадка;

б) чистого фильтрата;

в) чистого осадка и чистого фильтрата одновременно.

3) По взаимным напрвлениям движения фильтрата н действия силы тяжестей. В процессе фильтрования направление движения фильтрата и направление действия силы тяжести могут совпадать, быть противоположными или перпендикулярными.

4) По принципу действия различают непрерывное и периадическое фильт-рование.

5) По услловиям проведения процесса. Фильтрования может осуществляться:

а) при постоянном перепаде давлений;

б) с постоянной скоростью;

в) с переменными скоростью процесса и перепадом давлений.

6) По природе осадка:

а) с образованием сжимаемого;

б) несжимаемого осадка.

Кроме того, фильтры классифицируют по конструктивным особенностям, т.е. по основному конструктивному признаку (фильтры с вращающимся барабаном, с движущейся лентой и др.), по способу выгрузки осадка, исполнению оборудования в зависомости от степени герметизации и взрывозащищенности.

Схема классификации оборудования по принцопу его действия и конструктивным особенностям представлена на рисунке 1.

Рисунок 2- Возможные пути повышения производительности фильтров

Процессы фильтрования при их осуществлении в производственных условиях нередко с большими затруднениями вследствие того, что многие суспензии разделяются на фильтрах очень медленно. Поэтому требуется выполнение мероприятий, повышающих производительность производительность фильтров. Возможные пути повышения производительности фильтров показаны на рисунке 2.

Таблица 1- Влияние свойств суспензий и технологических условий на выбор типа фильтров

Факторы влияющие на выбор фильтра	Периодического действия	Непрерывного действия
	Нутч-фильтры	Фильтр-прессы	листовые	барабанные	Диско-вые	Ленточ- ные
		рамные	Горизон- тальные		С ВП	С НФП
Начальная объемная концентрация суспензии%: До 0,5	1	2	2	-	-	-
1,0	2 - 3	1	1-2	-	-	-
15	4	2-3	3-4	1-2	-	-
Возможность получения чистого фильтрата	1-2	1	1	3	3	4
возможность промывки осадка	4	2	3	1	-	2
Возможность изготовления из кислотостойкой стали	1	4	4	1	4	3
Скорость осаждения твердой фазы, мм/с	Не ограничена	18	Не ограничено	медленно	12	18	18	12
Скорость образования осадка мм/мин	10	10	1	Не ограничена	2	1	2,7	1
Скорость фильтрования, 104 м/с	400	400	0,08	1,7	400	400-0,2	1,7	1,7

Разработка аппаратурного оформления процесса фильтрования и выбор необходимого типа фильтра проводятся на основе предварительного анализа физико- химических свойств разделяемой суспензии и образующихся осадка и фильтрата, технологических требований, предъявляемых к процессу разделения (непрерывный или периодический процесс, требуемая производительность, основной продукт разделения, дальнейшая переработка осадка, состав суспензии, осадка и фильтрата, температура суспензии и промывной жидкости, необходимость применения герметичного, взрывобезопаного оборудования, содержание твердой фазы в суспензии и влажность осадка, возможность применения растворителя для регенерации фильтрационных свойств фильтровальной перегородки и др.), и экономических факторов. Так как всесторонних рекомендаций для выбора типа фильтра, учитывающих все перечисленные аспекты, дать невозможно, при предварительном выборе типа фильтра можно ориентироваться на данные таблицу 1, учитывающие только некоторые из основных свойств суспензии. Наряду с этим следует учитывать следующие факторы:

1) При удельном сопротивлении осадка r₀>10⁸- 10¹²м^-2 или скорости образования осадка менее 810^-3 м/с при р = 810⁴ Па предпочтительно применение фильтров, работающих под давлением;

2) При большой мощности производства целесообразно применение фильтров непрерывного действия с организацией, если необходимо, двухступенчатой схемы разделения (предварительное сгущение - разделение или разделение - осветление фильтрата).

Большое влияние на качестве продуктов разделения, производительность и технологические особенности работы фильтров оказывают фильтровальные перегородки, которые должны обладать следующими свойствами: минимальным гидравлическим сопротивлением; достаточной механической прочностью и гибкостью; химической стойкостью к суспензии; задерживать твердые частицы суспензии; не набухать и не разрушаться при заданных условиях фильтрования; быть термоустойчивыми при фильтровании в области повышенных температур.

В качестве фильтровальных перегородок применяют хлопчатобумажные, шерстяные, полиамидные ткани, ткани из синтетических материалов, металлические перегородки.

При фильтровании происходит движение фильтрата через слой осадка. И фильтровальную перегородку. В слое осадка жидкость движется через поры - капиллярные каналы переменного сечения и различной кривизны. Для такого движения жидкости через слой справедливо приведенное уравнение.

(1)

Как следует из этого уравнения, сопротивление фильтрованию R при прочих равных условиях уменьшается с возростанием пористости осадка и уменьшением вязкости фильтрата.

Величина R складывается из сопротивлении осадка R_ос. и фильтровальной перегородки R_пер .

Сопротивление осадка пропорционально его толщине д

R_ос = rд (2)

где r - коэффицент пропорциональности, называемый удельным сопротивлением осадка.

Удельное сопротивление осадка представляет собой сопротивление единицы объема осадка высотой 1 м, отложенного на площади 1м², и может быть определено опытным путем.

Из выражения (1) находим размерность сопротивления фильтрованию

Соответственно размерность удельного сопротивления осадка

Объем осадка, отложившегося на фильтре, можно выразить как произведение площади Fфильтра на толщину д осадка. Если обозначить через u объем осадка (в м³), приходящиися на 1м³ фильтрата, то объем осадка, отложившегося после образование Vм³ фильтрата, будет равен uV. Следовательно

Fд=uV(3)

Отсюда толщина слоя осадка составляет

(4)

м³/м² (5)

Величина q представляет собой объем фильтрата, получаемого с единицы поверхности фильтра за время фильтрования ??, и называется удельной производительностью фильтра.

Подставив значение д в уравнение найдем сопротивление осадка

R_ос=ruq(6)

И получим следующие выражение для сопротивления фильтрованию

R=R_ос+R_пер= ruq+R_пер (7)

Из общего закона движения через слой, разделив обе части этого уравнения на , можно найти скорость движения жидкости через слой

м³/м²сек (8)

Как видно из уравнений (2) и (8) сопротивление R по мере образования осадка и увеличения его толщины возрастает, а скорость фильтрования уменьшается. Перепишем уравнение (8) в дифференциальной форме и подставим вместо R его значение по формуле (7). Тогда

(9)

Откуда

Интегрируя это выражение в пределах от 0 до и от 0 до q, найдем продолжительность фильтрования

После интегрирования получим

сек (10)

Решая уравнение относительно q, определим удельную производительность фильтра

м³/м² (11)

Из уравнении (11) и (9) следует, что по мере протекания процесса фильтрования величина q увеличивается, а скорость процесса ?? соответственно уменьшается.

Промывка осадка соответствует фильтрованию при постоянной высоте слоя осадка на фильтровальной перегородке.

Скорость промывки ??_пр . определяется по уравнению, аналогичному уравнению (9), и является постоянной. Следовательно

м³/м²сек (12)

где p_пр - перепад давления при промывке;

r_пр - удельное сопротивление осадка при промывке.

Величина r_пр определяется по формуле

(13)

где µ и µ_пр - вязкость фильтрата и промывной;

r - удельное сопротивление осадка при фильтрации.

Если расход промывной воды на 1 м³ влажного осадка обозначить через L м³/м³, то объем промывной жидкости, получаемой с единицы поверхности фильтра, составит

V_пр=Luqм³/м² (14)

По удельному объему промывной жидкости V_пр скорости промывки ??_пр можно определить продолжительность промывки

(15)

1.1 Фильтрование и аппаратура

Промышленные фильтры разделяются по режиму работы на фильтры периодического и непрерывного действия, а по величине рабочего давления - на вакуум-фильтры, работующие под давлением.

1 - барабан; 2 - корыто; 3 - главный вал; 4 - распределительная головка

Рисунок 3 - Общий вид и схема работы барабанного вакуум-фильтра непрерывного действия с наружной фильтрующей поверхностью

Барабанный ячейковый вакуум-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью (рисунок 3) является наиболее распространенным фильтром данного типа.

Полый барабан 1 с отверстиями на боковой поверхности, покрытый металлической сеткой и фильтрованной тканью и вращается в корыте 2 с небольшой скоростью (0,1-2,6 об/мин). Корыто заполнено суспензией, в которую погружено 0,3-0,4 поверхности барабана. Барабан разделен радиальными перегородками на ячейке, каждая из которых через каналы в полой цапфе вала 3 сообщается с распределительной головкой 4, прижатой к торцовой поверхности цапфы. Распределительная головка служит для последовательного соединения ячеек барабана с линиями вакуума и сжатого воздуха. Погруженные в суспензию ячейки барабана сообщаются с вакуумной линией. Под действием разности давлений снаружи и внутри барабана осадок откладывается на его поверхности, а фильтрат отсасывается внутрь барабана и удаляется через распределительную головку. Поверхность ячеек барабана, на которой откладывается осадок, называется зоной фильтрования (зона фильтрования I). Когда соответствующие ячейки барабана выходят из суспензии, осадок подсушивается при разрежении (зона просушки II). За тем осадок промывается водой подаваемой через трубки 5 (рисунок 2), причем промывные воды отсасываются, как и фильтрат, через распределительную головку. Вслед за промывкой в этой же зоне (зона промывки и просушки III) осадок сушится воздухом, который просасывается через слой осадка. После этого ячейки соединяются через распределительную головку с линией сжатого воздуха (зона отдувкиIV). Воздух не только сушит, но и разрыхляет осадок, благодаря чему облегчается его последующее удаление.



1 - барабан; 2- корыто; 3 - главный вал; 4 - распределительная головка;

5 - трубки; 6 - лента для заглаживания трещин в осадке; 7 - нож; 8 - качающаяся мешалка

Рисунок 4 - Барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия с наружной фильтрующей поверхностью

При подходе ячеек с просушенным осадком к ножу 7 прекращается подача сжатого воздуха и осадок падает с поверхности ткани под действием силы тяжести. Нож служит в основном направляющей плоскостью для слоя осадка, отделяющего от ткани. При дальнейшем вращении барабана ткань, освобожденная от осадка, очищается путем продувки воздухом (зона регенерации ткани V). Вслед за этим весь цикл операций, соответствующий одному обороту барабана, повторяется снова. Между рабочими зонами II, III, IV,Vи I находятся небольшие мертвые зоны (на рис. 1 не показаны).

Таким образом, на каждом участке поверхности фильтра все операции- фильтрование, промывка, просушка, съем осадка и очистка ткани- производятся последовательно одна за другой, но участки работают независимо друг от друга и поэтому все операции на фильтре проводятся одновременно, то есть процесс протекает непрерывно. По такому же принципу работают все непрерывнодействующие фильтры.

1.2 Вспомогательные оборудования.Насосы

Для перемещения капельных жидкостей служат насосы, для перемещения и сжатия газов- компрессорные машины, или просто компрессоры. Как насосы, так и компрессоры разделяются на следующие основные типы: поршневые, центробежные, осевые, ротационные, струйные.

Работа многих технологических установок и аппаратов связана с подачей в них жидкости (воды, растворов, эмульсий и др.). Жидкость по трубопроводу поступает в установку (выпарную, ректификационную, абсорбционную и др.). Если установка состоит из нескольких последовательно расположенных аппаратов, то перемещение жидкости между ними также осуществляется по трубопроводам. Если жидкость переходит с верхнего уровня на нижний уровень или из области высокого давления в область низкого давления, то она идет самотеком.

При движении жидкости по горизонтальным трубопроводам и перехода ее с нижнего на верхний уровень применяются насосы.

Типовая схема насосной установки приведена на рисунке 5. Насосная установка состоит из всасывающего трубопровода 3, насоса 4, нагнетательного трубопровода 5. Забор жидкости из расходного резервуара 1 (реки, озера и т.д.) производится через сетку и всасывающий клапан 2. Подача жидкости в приемный бак 6 (водонапорную башню, технологический аппарат и т.д.) осуществляется по нагнеательному трубопроводу 5. Для того чтобы жидкость из расходного резервуара поступила в насос, в нем создается разрежение.

Движение жидкости во всасывающей линии обусловлено рзницей между давлением p? в расходном резервуаре и давлением p? на входе в насос.

1 - расходный резервуар; 2 - сетка; 3 - всасывающий трубопровод; 4 - насос; 5 - нагнетательный трубопровод; 6 - приемный бак

Рисунок 5 - Схема насосоной установки

Движение жидкости по напорному трубопроводу происходит за счет разницы между давлением на выходе из насоса и давлением p? в приемном резервуаре 6.

Высота подъема во всасывающей линии называется геометрической высотой всасывания Н_ВС.Высота подъема жидкости в напорном трубопроводе - геометрической высотой нагнетания Н_Н. Полная геометрическая высота подъема жидкости (м столба жидкости) Н_r = Н_ВС + Н_Н.

Центробежные насосы делятся на одноступенчатые и многосту-пенчатые.

На рисунке 6 показан одноступенчатый насос. Центробежный насос имеет рабочее колесо 1 с загнутыми назад лопатками, которое с большой скоростью вращается в корпусе 2 спиралеобразной формы. Жидкость из всасывающего трубопровода 3 поступает по оси колеса и, попадая на лопатки, приобретает вращательные движения. Под действием центробежной силы давление жидкости увеличивается и она выбрасывается из колеса в неподвижный корпус 2 и напорный трубопровод 4. При этом на входе в колесо создается пониженное давление и, вследствие разности давлений, жидкость из приемного резервуара непрерывно поступает в насос.

Без заполнение корпуса жидкостью колесо насоса при вращении не может создать достаточной разности давлений, необходимый для подъема жидкости по всасывающей трубе. Поэтому перед пуском в ход центробежный насос должен быть залит жидкостью (если она не поступает в насос под напором). Чтобы жидкость не выливалась из насоса и всасыывающей трубы при заливке насоса или его останове, на конце всасывающей трубы устанавливают приемный (обратный) клапан 5 с всасывающей сеткой. Одноступенчатые насосы предназначены для создания небольших напоров- до 50 м.

1- рабочееколесо; 2 - корпус; 3 - всасывающий трубопровод; 4 - напорный

трубопровод; 5 - приемный клапан с всасывающей сеткой

Рисунок 6 - Схема цетробежного одноступенчатого насоса

Для высоких давлений применяются многоступенчатые насосы (рисунке 7), имеющие несколько колес 2, соединенных последовательно в корпусе 1. Напор, развиваемый многоступенчатым насосом, равен напору одного колеса, умноженному на число колес. Жидкость из колеса попадает в кольцо из двух дисков 3 с лопатками, изогнутыми в сторону, противоположную лопаткам рабочего колеса. Такое устройство называется направляющим аппаратом и предназначено для уменьшения скорости (кинетической энергии) жидкости, которая переходит при этом в потенциальную энергию давления.

1 - корпус; 2- рабочие колеса; 3- направляющие аппараты

Рисунок 7 - Схема центробежного многоступенчатого насоса.

Во многих насосах современных конструкций преобразование скорости в энергию давления осуществляется без направляющего аппарата- путем придания плавных очертаний спиральному отводному каналу корпуса.

Центробежные насосы большой производительности изготовливаются в двухсторонним вводом жидкости в корпус насоса.

В химической промышленности насосы широко применяются для перекачивания кислот, щелочей, рассолов и других вязких жидкостей, часто содержащих твердые взвеси. Такие насосы изготавливаются из коррозионностойких и износоустойчивых металлических металлических сплавов (например, хромоникелевые сплавы с присадкой титана или молибдена, кремнистые и высокохромистые чугуны), для изготовления насосов применяются также пластические массы (например, фаолит) и керамика.

Чтобы свести к минимуму утечку перекачиваемой жидкости, при конструировании таких насосов уделяется большое внимание обеспечению надежного уплотнения вала. Для увеличения срока службы сальниковых набивок их выполняют из специальных материалов (стеклянное волокно, фторопласт и другое), а также стремятся более равномерно распределить нагрузку на кольца набивки путем установки (в середине слоя набивки) пружины или втулки (фонаря) с отверстием. Через это отверстие подают под давлением жидкость, утечка которой допустима (вода, масло). Эта жидкость поступает в сальник под давлением, превышающим давление жидкости, перекачиваемой насосом. Таким способом предотвращают утечку рабочей жидкости, но часть подаваемой в сальник жидкости попадает внутрь насоса и смешивается с перекачиваемой жидкостью. Применяют также торцовые уплотнения вала в виде трение, например металлического и графитового колец, прижатых друг к другу пружиной.

Однако все описанные устройства для уплотнения вала недолговечны. Сальниковые набивки работают без замены не более 300 ч, торцовые уплотнения- до 1000 ч, но они более дороги и сложны в обслуживании, чем сальниковые уплотнения.

В случае местных падений давления в насосе ниже давления насыщенного пара жидкости при данной температуре из жидкости начинают выделяться пары и растворенные в нем газы. Пузырьки пара, увлекаемые жидкостью по каналам колеса в область более высоких давлений, быстро конденсируются. Жидкость мгновенно проникают в пустоты, образующиеся при конденсации пузырьков, что приводит к многочисленным мелким гидравлическим ударам, сопровождающимся шумом и сотресениями насоса. Производительность, напор и коэффициент полезного действия насоса при этом резко падают. Описанное явление носит название кавитацияи приводит к быстрому механическому и химическому (от действия выделяющихся газов) разрушению насоса.

Чтобы избежать кавитации, повышают давление жидкости на входе в насос, уменьшая высоту всасывания или работая с подпором. Кроме того, для повышении стойкости к кавитации колеса насосов изготавливают из высокопрочных материалов.

2. Описание технологической схемы

Суспензия поступает в сборник 12, откуда подается центробежным насосом 13 в корыто вакуум- фильтра 2. Здесь суспезия разделяется на осадок, поступающий на дальнейшую переработку, и фильтрат, отводимый в сепаратор 9. Промывная вода, поступающая на промывку осадка из сборника 1, смешивается внутри барабана вакуум- фильтра с основным потоком фильтрата. Основной и промывной фильтрат из сепаратора поступает в сборник фильтрата 10, откуда центробежным насосом 11 подается на переработку.

Воздух из сепаратора отсасывается вакуум- насосом 6, перед которым устанавливается ловушка 7 для отделения от воздуха мелких брызг (ловушка устанавливается перед сухими вакуум- насосами, а при агрессивном фильтрате при значительном содержании в нем абразивной твердой фазы ловушки можно устанавливать перед мокрыми вакуум- насосами). Воздух для отдувки осадка и регенерации ткани подается воздуходувкой 4, перед которой устанавливается ресивер- водоотделитель 5 для отделения воды и масла и выравнивания давления воздуха. Жидкая фаза из ловушки удаляется по барометрической трубе в сборник- гидрозатор 8.

Автоматически регулируются наиболее важные параметры и потоки:

1) уровень суспензии в корытах вакуум- фильтров;

2) давление воздуха, поступающего на продувку фильтровальной ткани;

3) уровень промывной воды в напорном баке;

4) расход воды на промывку рсадка;

5) разрежение в вакуумной линии.

Понижение уровня суспензии в корыте вакуум- фильтров приводит к уменьшению производительности и вакуума в вакуумной линии. При повышении уровня часть суспкнзии переливается в сборнтк 12, откуда затем она снова должна быть возвращена на фильтрование. Это обусловливает измельчение кристаллов осадка, в результате чего уменьшается производительность фильтра и повышается влажность осадка. Для стабилизации уровня на линии подачи суспензии устанавливают дроссельную заслонку, степень открытия которой регулируется по сигналу регулятора уровня.

Необходимость стабилизации давления воздуха, поступающего на продувку, объесняется тем, что недостаточное давление приводит к уменьшению производительности фильтра из за плохой продувки фильтровальной ткани, а избыточное давление часто нежелательно при фильтровании суспензий, содержащих легкоиспаряющиеся вещества. Так, например, при фильтровании бикарбонатной суспензии содового производства избыточное давление воздуха приводит к выдуванию аммиака из фильтровой жидкости.



3. Расчетная часть

Наиболее широкое применение в химической промышленности получили лопастные (центробежные, вихревые) и объемные (поршневые, плунжерные, шестеренчатые, винтовые и др.) насосы. Основными задачами при расчете насосов являются определение необходимого напора и мощности двигателя при заданном расходе жидкости, выбор насоса по каталогам или ГОСТам с учетом свойств перемещаемой жидкости.

Полезная мощность, затрачиваемая на перемещение жидкости

(16)

Напор определяется по формуле

(17)

где р₁ - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па;

р₂ - давление в аппарате, в которой подается жидкость, Па;

Н_?? - геометрическая высота подъема жидкости, м;

h_п - потери напора во всасывающей и нагнетательной линиях, м.

Мощность которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы

(18)

где з_н , з_п - коэффициенты полезного действия (к.п.д) соответственно насоса и передачи от электродвигателя к насосу.

Коэффициент полезного действия насоса з_н

з_н = з_о з_г з_м (19)

где з₀ - объемный к.п.д., учитывающий перетекание жидкости из зоны большого давления в зону малого давления (для современных крупных центробежных насосов з₀=0,960,98 для малых и средних насосов з₀=0,850,95);

з_г - гидравлический к.п.д., учитывающий гидравлическое трение и вихреобразование (для современных насосов з_г=0,850,96);

з_м - общий механический к.п.д., учитывающий механическое трение в подшипниках и уплотнениях вала. И гидравлическое трение нерабочих поверхностей колес (з_м=0,920,96).

К.п.д. передачи зависит от способа передачи усилия. В центробежных и осевых насосах вал электродвигателя непосредственно соединяется с валом насоса, в этих случаях з_н1. В поршневых насосах чаще всего используют зубчатую передачу, при этом з_п=0,930,98.

Зная Q, H, N, выбираем по табл.2 или по каталогам [3.4;3.8] насос с учетом свойств перемещаемой жидкости, причем выбранный насос должен иметь производительность, напор и номинальную мощность электродвигателя, ближайшие большие по отношению к рассчитанным.

При расчете затрат энергии на перемещение жидкости необходимо учитывать, что мощность N_дв, потребляемая двигателем от сети, больше номинальной вследствие потерь энергии в самом двигателе

(20 )

где з_дв - коэффициент полезного действия электродвигателя, который принимается ориентировочно в зависимости от номинальной мощности N_н на таблице 2.

Таблица 2 - Параметры электродвигателей

Nи, кВт	0,4 - 1	1 - 3	3 - 10
здв	0,7 - 0,78	0,78 - 0,83	0,83 - 0,87

Nи, кВт	10 - 30	30 - 100	100 - 200	200
здв	0,87 - 0,9	0,9 - 0,92	0,92 - 0,94	0,94

Двигатель к насосу устанавливается несколько большей мощности, чем потребляемая мощность, с запасом на возможные перегрузки

N_уст = вN_дв (21)

Коэффициент запаса мощности в берется в зависимости от величины N_дв на таблице 3

Таблица 3 - Соотношение коэффициентов

Nдв, кВт	<1	1 - 5	5 - 50	>50
в	2 - 1.5	1.5 - 1.2	1.2 - 1.15	1.1

Разрабатывая технологическую схему, необходимо учитывать, что высота всасывания Н_вс насосов не может быть больше следующей величины

Н_вс (22)

где р_а - атмосферное давление;

р_t - давление насыщенного пара перекачиваемой жидкости при рабочей температуре;

??_вс - скорость жидкости во всасывающем трубопроводе;

h_п.вс - потеря напора во всасывающем трубопроводе;

h_з - запас напора, необходимый для исключения кавитации в центробежных насосах или предотвращения отрыва поршня от жидкости вследствие сил инерции в поршневых насосах.

Для центробежных насосов [5, с.112]

^2/3(23)

где n-частота вращения вала, с^-1.

Для поршневых насосов при наличии воздушного колпака на всасывающей линии [5, с.114]

(24)

где l - высота столба жидкости во всасывающем трубопроводе, отсчитываемая от свободной поверхности жидкости в колпаке;

f₁ иf₂- площади сечения соответственно поршня и трубопровода;

u - окружная скорость вращении, м/с;

r - радиус кривошипа, м.

3.1 Расчет центробежных насосов

Рассчитать и подобрать центробежный насос для подачи 0,002 м³/с 10 %-го раствора едкого натра из емкости, находящейся под атмосферным давлением, в аппарат, работающий под избыточным давлением 0,1 МПа. Температура раствора 40 ⁰С, геометрическая высота подъема раствора 15 м. Длина трубопровода на линии всасывания 3 м, на линии нагнетания 20 м. на линии всасывания установлен один нормальный вентиль, на линии нагнетания - один нормальный вентиль и дроссельная заслонка, имеются также два колена под углом 90 ⁰.

1)Выбор диаметра трубопровода. Примем скорость раствора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах одинаковый, равной 2 м/с. Тогда диаметр трубопровода по формуле равен

.

Принимаем трубопровод из стали марки Х18Н10Т, диаметром 453,5 мм [10]

Уточняем скорость движения раствора

?? =40.0021/(3.140.036²)= 2,1м/с.

2) Определение потерь на трение и местные сопротивления. Определяем величину критерия Рейнольдса

Re=??d_э??/µ = 2,10,0361100/(1,1610^-3) = 71689.

где р = 1100 кг/м³ - плотность 10 %-го раствора NaOH;

µ = 1,1610^-3 Пас - вязкость 10 %-го раствора NaOH. Плотность и вязкость раствора взяты при 40 [2.5, с.56]

Режим турбулентный.

Принимаем абсолютную шероховатость стенок труб e=0,2 мм [4], степень шероховатости d_э/e=36/0,2=180. По рисунке 1,5 [4, c. 22] значение коэффициента трения л=0,031.

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений [4, с.88], [11, с.236]

1) Для всасывающей линии

- вход в трубу (принимаем с острыми краями): о = 0,5;

- нормальный вентиль: для d = 0,02 м, о = 8,0, для d = 0,04м, о = 4,9. Интерполяцией находим для d = 0,036м и о = 5,2. Тогда

.

2) Для нагнетательной линии

- выход из трубы о = 1;

- нормальный вентиль о = 5,2;

- дроссельная заслонка о = 0,9 при ?? = 15⁰;

- колено под углом 90⁰о = 1,6. Следовательно

.

Определяем потери напора

1) во всасывающей линии

.

2) в нагнетательной линии

.

Общие напоры

h_п = 1,39+2,03 = 3,42.

3) Выбор насоса. По формуле (17) определяем полный напор, развиваемый насосом

.

Полезная мощность насоса определяется по формуле (16)

N_п = 0,00211100*9,8127,54 = 626Вт = 0,626 кВт.

Принимая з_п = 1 и з_н = 0,6 для насосов малой производительности, найдем по формуле (18) мощность на валу двигателя

N_дв = 0,626/(0,61) = 1,04.

Мощность, потребляемая двигателем от сети, при з_дв = 0,8:

N = 1,04/0,8 = 1,3кВт.

С учетом коэффициента запаса мощности в[4, с.89] устанавливаем двигатель мощностью

N_уст = 1,31,5 = 1,95кВт.

Устанавливаем центробежный насос Х 8/30 со следующей характеристикой: производительность 2,410^-3; напор 30 м; к.п.д. насоса 0,5.

Насос снабжен электродвигателем 4А100S2 номинальной мощностью 4кВт, з_дв= 0,83, частотой вращения n = 48,3 с^-1.

4) Предельная высота всасывания рассчитывается при необходимости расположения, насоса над резервуаром с раствором. Для центробежных насосов запас напора, необходимый для исключения кавитации, рассчитывают по формуле (23)

h₃ = 0,3(0,002148,3²)^2/3 = 0,78.

По таблицам давлений насыщенного водяного пара [4, с.95] найдем, что при 40⁰С р₁=7,8310³ Па. Примем атмосферное давление равным р_а= 10⁵Па, а диаметр всасывающего патрубка равным диаметру трубопровода найдем по формуле (22) найдем

Н_вс = +0,78) = 6,19.

Таким образом, центробежный насос может быть расположен над уровнем раствора в емкости на высоте менее 6,19 м.



Заключение

фильтрование насос промышленность химический

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий при помощи пористой перегородки, пропускающей жидкость (фильтрат) и задерживающей взвешенные в ней твердые частицы.

В данном курсовом проекте мы рассматривали центробежные насосы. В химической промышленности наиболее распространены центробежные насосы, которые имеют значительные преимущества по сравнению с поршневыми. Достоинства центробежных насосов:

1)равномерность подачи;

2) быстроходность (возможно непосредственное соединение с электродвигателем);

3) компактность;

4) простота устройства;

5) возможность перекачивания загрязненных жидкостей, так как в центробежных насосах имеются большие зазоры между кожухом и колесом и отсутствуют клапаны. Кроме того, для установки центробежных насосов не требуется массивных фундаментов.

Недостатки центробежных насосов:

1) несколько меньший КПД, чем у поршневых насосов (на 10- 15% ниже);

2) необходимость заливки насоса и всасывающей трубы жидкостью перед пуском насоса;

3) уменьшение производительности с увеличением напора;

4) резкое снижение КПД при малой производительности.

При выполнении курсового проекта нами был выполнен анализ теоретического материала, расчет центробежного насоса, подбор насоса.

Цель поставленная в курсовом проекте достигнута.



Список использованной литературы

1Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии / Ю. И. Дытнерский - Санкт - Петербург. : Химия, 2002. - 493 с.

2 Жужиков В. А. Фильтрование, теория и практика разделении суспензии / В. А. Жужиков - М. : Химия, 1971. - 440 с.

3 Павлов К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К. Ф. Павлов - М. : Химия, 1961. - 352 с.

4 Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин - М. : Госхимиздательство, 1961. - 754 с.

5 Гельперин Н. А. Основные процессы и аппараты химической технологии / Н. А. Гельперин - М. : химия, 1981. - 812 с.

6 Рабинович В. А. Краткий химический справочник / В. А. Рабинович, З. Я. Хавин - М. : Химия, 1991. - 985 с.

7 Романков П. Г. Процессы и аппараты химической промышленности / П. Г. Романков - Л. : Химия, 1989. - 560 с.

8 Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов / И. Л. Иоффе - Л. : Химия, 1991. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru

...